Path: TopS3-DissertationsEnvironmental Engineering-FTSL2017

HIDRODINAMIKA TIGA DIMENSI MULTI FASA REAKTOR PARIT OKSIDASI

THREE-DIMENSIONAL MULTIPHASE MODEL OF HYDRODYNAMICS IN AN OXIDATION DITCH REACTOR

PhD Theses from JBPTITBPP / 2017-10-02 16:20:40
Oleh : ROSITAYANTI HADISOEBROTO (NIM : 35311301), S3 - Environmental Engineering-FTSL (rositayanti@gmail.com)
Dibuat : 2017-10-02, dengan 1 file

Keyword : Hidrodinamika, Reaktor, Multifasa, Parit oksidasi

Dalam suatu reaktor pengolahan air limbah, hidrodinamika, sebagai studi pergerakan pola aliran fluida, memegang peran penting agar proses pengolahan berjalan secara efektif. Karakteristik hidrodinamika yang mendukung peningkatan kinerja adalah berkurangnya daerah mati, dispersi dan interaksi antar fasa (air-lumpur, air-udara, udara-lumpur). Interaksi antar fasa tidak mudah untuk diobservasi, sehingga diperlukan suatu model matematis yang disimulasikan untuk menggambarkan interaksi antar fasa. Aspek hidrolis dan aspek fisik pada unit pengolahan akan mempengaruhi kinerja pengolahan. Untuk mengevaluasi unit pengolahan berdimensi luas membutuhkan waktu dan biaya yang tidak sedikit serta akan mengganggu proses pengolahan, maka dilakukan simulasi aliran pada unit pengolahan dengan menggunakan model matematis. Model matematis hidrodinamika yang dibangun dari persamaan pengatur berupa persamaan momentum dan kontinyuitas diselesaikan secara 1 dimensi, 2 dimensi dan 3 dimensi secara numerik. Penyelesaian persamaan pengatur secara numerik diselesaikan dengan metode volume hingga dan dibantu dengan komputasi melalui aplikasi pemrograman Ansys Fluent.




Model simulasi yang dibangun telah melalui tahap kalibrasi menggunakan data pengukuran kecepatan yang dibandingkan dengan hasil simulasi. Tahap validasi dilakukan dengan data sekunder, yaitu dengan menjalankan simulasi berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan dan membandingkan hasilnya. Simulasi kemudian dijalankan untuk 1, 2 dan 3 fasa pada berbagai bentuk geometri. Dari hasil perbandingan antara simulasi 1 fasa, 2 fasa dan 3 fasa geometri reaktor kotak terlihat bahwa pada simulasi 3 fasa tergambarkan interaksi antara fluida air, udara dan lumpur sebagai padatan dan sebagai campuran dari air limbah. Model yang tepat digunakan untuk simulasi 2 fasa adalah skema model Volume of Fluid (VoF) dan Eulerian. Untuk simulasi 3 fasa dengan aerator, digunakan model Eulerian.




Model aliran multi fasa lebih baik dibandingkan model aliran fasa tunggal untuk reaktor parit oksidasi, karena adanya fenomena aliran di permukaan air yang berinteraksi langsung dengan udara terbuka. Adapun model aliran tiga fasa menggambarkan fenomena hidrodinamika yang sesuai dengan kondisi sebenarnya. Volume efektif hasil simulasi model tiga fasa lebih rendah, 41,33%, dibanding hasil simulasi model dua fasa dengan volume efektif 60,83% Hal ini terjadi karena adanya lumpur sebagai fasa padatan yang mengurangi volume air dan karena adanya gesekan antara permukaan air dengan permukaan lumpur, sehingga memperkecil kecepatan aliran.




Untuk analisis volume efektif dalam reaktor, terlihat bahwa pada reaktor tanpa penambahan difuser dan aerator, terdapat daerah “diam” yaitu memiliki kecepatan aliran di bawah 10-5 m/detik atau mendekati 0. Besarnya volume efektif tersebut adalah sebesar 32,94% dari hasil studi perunut, dengan kata lain hanya sepertiga dari volume disain yang dipergunakan sebagai pengaliran. Dengan simulasi penambahan aerator, volume efektif meningkat menjadi 55,5%, hanya tidak merata antara sisi reaktor searah inlet dengan outlet. Sisi searah outlet hanya memiliki volume efektif sebesar 38% sedangkan sisi searah inlet mencapai 73%, sehingga secara rata-rata keseluruhan reaktor memiliki volume efektif 55,5%, atau hanya setengah dari volume disain yang dipergunakan sebagai pengaliran.




Secara umum, nilai KLa pada aerator lebih tinggi, 0,0051, dibandingkan difuser, dengan kisaran 0,0028 – 0,0031. Akan tetapi pada zona tanpa aerasi, tetap terdapat nilai KLa yang tidak jauh berbeda dengan nilai KLa pada zona beraerasi. Oleh karena perbedaan nilai KLa yang terjadi pada zona-zona dalam reaktor parit oksidasi, maka model hidrodinamika untuk parit oksidasi harus didekati dengan model aliran sumbat.




Model multi fasa yang dilakukan pada reaktor parit oksidasi memberikan pendekatan baru yaitu interaksi tiga fasa, dengan kehadiran lumpur dalam bentuk media solid-liquid yang dalam bentuk endapan di dasar reaktor dan tercampur bersama aliran masuk air limbah secara diskrit. Pergerakan aerator didekati dengan membuat aerator sebagai zona MRF yang mempunyai tekanan positif searah aliran putaran. Untuk mengatasi masalah dalam pengerjaan simulasi yang sering terjadi kesalahan penggambaran aliran karena kesalahan dalam penyelesaian grid, maka pembuatan grid pada suatu reaktor dibagi menjadi sub domain-sub domain yang lebih kecil. Khusus untuk sub domain aerator dan sekitarnya, diaplikasikan Multiple Reference Frame (MRF) yang memberikan tekanan positif searah putaran.




Perputaran aerator secara vertikal meningkatkan perataan distribusi aliran di sepanjang aerator dibandingkan dengan penggunaan difuser. Kadar DO di dalam reaktor juga cenderung meningkat dan stabil pada saat penggunaan aerator dibanding difuser, terlihat dari nilai KLa yang lebih baik untuk aerator. Dengan demikian, keberadaan aerator bukan hanya sebagai suplai oksigen tapi juga sebagai perata aliran dengan menjaga kecepatan aliran tidak menjadi daerah mati. Aerator sebagai suplai oksigen dan perata aliran dibuktikan dengan persentase daerah mati yang lebih rendah 27% di sisi inlet dibanding di sisi outlet 62%. Penyebab tingginya daerah mati di sisi outlet di samping karena pola aliran yang terjadi aliran pendek dari inlet langsung ke outlet melalui reaktor sisi inlet, tidak melalui keseluruhan bagian reaktor.

Deskripsi Alternatif :

In a wastewater treatment reactor, hydrodynamics—as the study of fluid flow patterns—plays a crucial role to assure that the process runs effectively. Hydrodynamic characteristics that support the performance improvement are the reduction of dead zones as well as the dispersion and multiphase interactions (water-sludge, water-air, and air-sludge). It is quite hard to observe the multiphase interactions that a mathematical simulation model is needed to depict the interactions between phases. The hydraulic and physical aspects of a treatment unit will affect the process performance. Besides the risk of interfering with the ongoing process, the evaluation of an extensive treatment unit using a tracer study requires a considerable amount of time and financial resources. Thus, a mathematical model has been carried out to simulate the flow in the treatment unit. The mathematical model of hydrodynamics was constructed based on the governing equations of momentum and continuity equations, numerically solved in one-, two-, and three-dimensional basis. The numerical differentiation of the governing equations was carried out using finite volume method, assisted by the computation through the Ansys Fluent programming application.




The developed model has been calibrated using velocity measurement data, compared to the simulation results. The validation was executed by secondary data, that is by running several simulations based on the research outcome and comparing the results. The simulations were conducted for one-, two-, and three-phase flow within various geometrical configurations. It can be seen from the comparison results of one-, two-, and three-phase simulation of a rectangular reactor that the three-phase simulation is capable of illustrating the interactions between the fluid (water), gas (air), as well as sludge as both solids and a mixture of wastewater. The appropriate model for the two-phase simulation is Volume of Fluid (Vof) and Eulerian schemes. As for the three-phase simulation with aerators, the Eulerian model was used.




The multiphase flow model is considered better than the single-phase simulation for the oxidation ditch reactor due to the presence of surface water phenomena which directly interact with the open air. The three-phase flow model representatively depicts hydrodynamic phenomena to the actual condition. The effective volume yielded by the three-phase flow model of 41.33% is lower than that of the two-phase simulation of 60.83%. It is induced by the presence of sludge as the solid phase that reduces the water volume, also by the friction between the water and the sludge surface which decreases the flow velocity.




Based on the analysis of the effective volume, it can be seen that a “static” zone with a flow velocity below 10-5 m/s (nearly zero) emerged in the reactor without any additional diffuser or aerator. The tracer test delivered the amount of the effective volume of 32.94%, implying that only one-third of the designed volume is used for channeling the water. In the ancillary aerator simulation, the effective volume was boosted to 55.5%, though it had not been distributed evenly throughout the areas of inlet and outlet direction. The effective volume of the area alongside outlet direction was obtained of only 38%, while that of the inlet direction reached 73%. Hence, the average effective volume of the whole reactor was 55.5%; merely half of the designed volume was used for channeling the water.




In general, the KLa value of aerators (0.0051) is higher than that of diffusers (0.0028–0.0031). Unaerated zones, nevertheless, hold a value of KLa that insignificantly differs with aerated zones. Therefore, the hydrodynamic simulation of oxidation ditches has to be approximated by the compressible flow model.




The multiphase model performed on the oxidation ditch introduces a new approach namely three-phase interactions, with the presence of sludge in the form of solid-liquid media as sediments on the bottom of the reactor, discretely combined with the inlet wastewater flow. Partitioning the reactor into smaller subdomains was used as the grid generation technique to avoid inaccurate renderings of fluid flow that often occur on account of the erroneous meshing. Multiple Reference Frame (MRF) was applied particularly to the aerator subdomain and its surroundings to provide a positive pressure abiding the rotation direction.




The vertical rotation of the aerator enhances the flow distribution along the aerators better than the diffusers type. The DO level in the reactor tends to increase as well and is more stable when aerators are used instead of diffusers, proven by the preferable KLa obtained for the aerator application. Hence, the presence of aerators is not only for supplying oxygen but also for balancing the flow distribution by keeping the sufficient flow velocity to steer clear of dead zones. This function has been attested by the lower percentage of dead zones of 27% at the inlet, compared with that of 62% at the outlet. The high proportion of dead zones at the outlet was caused by the occurrence of a short circuit flow pattern, drifting directly from the inlet to the outlet through the inlet bank of the reactor instead of circulating through the whole sections of the reactor.

Copyrights : Copyright (c) 2001 by Perpustakaan Digital ITB. Verbatim copying and distribution of this entire article is permitted by author in any medium, provided this notice is preserved.

Beri Komentar ?#(0) | Bookmark

PropertiNilai Properti
ID PublisherJBPTITBPP
OrganisasiS
Nama KontakUPT Perpustakaan ITB
AlamatJl. Ganesha 10
KotaBandung
DaerahJawa Barat
NegaraIndonesia
Telepon62-22-2509118, 2500089
Fax62-22-2500089
E-mail Administratordigilib@lib.itb.ac.id
E-mail CKOinfo@lib.itb.ac.id

Print ...

Kontributor...

  • Pembimbing :

    Prof. Suprihanto Notodarmojo, Ph.D.,

    Prof. Yazid Bindar, Ph.D., Editor: Garnida Hikmah Kusumawardana

File PDF...